新型集成式波導濾波器的設計

楊非 王睿

摘要：本文介紹了LTCC（低溫共燒陶瓷）技術中廣泛采用的IWG（集成式波導[1]）濾波器。設計了通帶為35-36GHz的七級契比雪夫型IWG濾波器，它在34-37GHz外可以提供50dB的衰減，帶內插損小于5dB，帶內駐波小于1.3dB。由于這種類型的濾波器具有良好的矩形度和較小的體積以及到微帶的自然過渡等優點已被廣泛使用。

Abstract： An IWG （integrated waveguide） filter which is broadly applied in LTCC （low temperature） technology is introduced in this paper. An seven poles IWG filter is designed passes 35-36GHz with 5dB insert loss and 1.3dB ripple in passband and can provide 50dB attenuation beyond 34-37GHz. For the reason that the filter of this kind has excellent selectivity in passband and sharp attenuation， tiny bulk and physical transition from IWG to microstrip， IWG filter has been used in most occasion.

關鍵詞：IWG;濾波器;LTCC

Key words： IWG;filter;LTCC

中圖分類號：TN713 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0178-02

0 ?引言

為了適應毫米波前端系統的高選頻性、高雜諧波抑制度、高集成度、低成本的需要，集成式波導IWG（integrated rectangular waveguide）的概念被不止一次的提出[1][2][3]。集成波導也有文獻稱為疊層波導（laminated waveguide）或嵌入式波導（implanted waveguide），它與傳統意義上的介質波導有很多相同之處，它的最大特征是與其它平面電路共用一個介質層，波導的高度就是基片的厚度，波導的寬度由兩排到地的金屬化通孔（metallized post）或是金屬化的凹槽（metallized grooved）[3]之間的距離決定。

1 ?微帶到IWG的過渡

微帶到IWG的過渡在兩層厚為188μm的Ferro A6S的陶瓷基片上用厚膜工藝印制，長為l的錐型漸變線完成了50Ω微帶線準TEM模到波導TE10的轉換，如圖1所示，微帶線下的電場分布和波導內TE10模式的場分布的方向都是由接地面到金屬層，可以想象隨著微帶線的寬度增加，兩種場會變得取向一致，錐形漸變線可以很直觀地完成這一變換過程，拓寬的微帶線和金屬接地面構成了波導的上下底面，而兩側的金屬通孔或凹鑿構成波導的側壁，其實質就是一介質波導，可以用導波場理論來分析。波導的寬邊a決定了TE10模的截止頻率fc，窄邊任意，可以是基片的厚度或更薄，而在很薄的基片上制作IWG可以極大的降低導體的輻射損耗而以導帶的金屬損耗為主。為了保證50Ω微帶線寬度適當，取了兩層Ferro基片的厚度，另取波導長10mm寬為4mm，兩列金屬化通孔做側壁，在漸變線l為5mm、d為1.83mm時過渡的效果最好，背靠背仿真的結果顯示在32-39GHz插損小于0.7dB，反射在-18dB以下，如圖2、圖3所示，由Ferro基片帶來的介質損耗可以接受。

2 ?IWG濾波器的設計

本文采用低溫共燒陶瓷制作該濾波器，介點常數5.7，厚度188μm，損耗角正切0.002，要求通帶35-36GHz，在34-37GHz外能提供50dB的衰減。使用半波導波長的IWG做串聯諧振器，且■，側壁使用金屬化通孔，級間的耦合通過金屬化凹槽或金屬化通孔形成的并聯電感實現，它們的作用相當于K變換器，在LTCC工藝中實現K變換器的方法很多，本文采用金屬化凹槽實現K變換器。相對金屬波導其并聯感抗Xj，j+1不變，仍為■，折扣K變換器引入的電長度半波導諧振腔的電長度θj為■■，槽深貫穿介質基片，槽寬取0.2mm，槽兩側打圓角，槽長由0.2mm的鉆頭沿直線銑出，若定好第一個槽位，剩下的幾個槽位（均是折扣后的半波導段的長度）就能確定下來，工藝上比較好實現。最后的尺寸列于表1、圖4中，其中W i表示從右數起第i個槽的長度，而L i表示從右數起第i個IWG的腔長，且Wi=Wn+2-i，Li=Ln+1-i，n表示濾波器的級數（n為奇數）。如果用金屬化通孔做側壁，孔間距d不能過大，否則會引起場的泄漏，也不能過小，必須保證在LTCC工藝的范圍內，取d=2.5r，本文同時對比了金屬槽和金屬通孔做側壁的效果，發現兩種方式的結果基本吻合，如圖5所示，通帶插損在5dB內，34-37GHz外都達到了50dB的衰減。

最終濾波器的尺寸是25mm×4.5mm×0.188mm，若不計過渡的尺寸，IWG的總長度僅為14mm，相對相同級數的金屬波導尺寸減小很多。

3 ?結論

IWG是借助于陶瓷多層技術而迅速興起的一種波導結構，具有高Q值、高集成度、低成本的優勢。借助IWG設計的波導濾波器具有很大的靈活性，還有很高的矩形度、較小的插損、不用屏蔽等優點，本文介紹了微帶線等傳統平面結構向IWG過渡的幾種方式，并設計了7級契比雪夫型IWG濾波器，結果顯示這種濾波器具有良好的矩形度，能滿足大部分系統集成的需要，其潛力不可估量。

參考文獻：

[1]Sung Tae Choi， Ki Seok Yang， “A V-band planar narrow bandpass filter using a new type integrated waveguide transition” IEEE Microwave and Wireless Components Letters， v 14， n 12， December， 2004， p 545-547.

[2]D. Deslandes and K. Wu， “Integrated transition of coplanar to rectangular waveguides，” in IEEE MTT-S Int. Symp. Dig.， Phoenix， AZ， May 2001， pp. 619-622.

[3]Dominic Deslandes and Ke Wu， Fellow， IEEE，” Integrated Microstrip and Rectangular Waveguide in Planar Form”， Microwave and Wireless Components Letters， v 11， n 2， February， 2001，68-70.